forester/ruby/evoruby/lib/evo/tool/hmmscan_analysis.rb

   1 #
   2 # = lib/evo/tool/hmmscan_summary.rb - HmmscanSummary class
   3 #
   4 # Copyright::  Copyright (C) 2012 Christian M. Zmasek
   5 # License::    GNU Lesser General Public License (LGPL)
   6 #
   7 # $Id: hmmscan_parser.rb,v 1.5 2010/12/13 19:00:11 cmzmasek Exp $
   8 #
   9
  10 require 'lib/evo/util/constants'
  11 require 'lib/evo/util/util'
  12 require 'lib/evo/util/command_line_arguments'
  13 require 'lib/evo/io/parser/hmmscan_parser'
  14 require 'lib/evo/msa/msa'
  15 require 'lib/evo/msa/msa_factory'
  16 require 'lib/evo/io/msa_io'
  17 require 'lib/evo/io/parser/fasta_parser'
  18
  19 module Evoruby
  20
  21   class HmmscanAnalysis
  22
  23     PRG_NAME       = "hsa"
  24     PRG_VERSION    = "1.000"
  25     PRG_DESC       = "hmmscan analysis"
  26     PRG_DATE       = "130319"
  27     COPYRIGHT      = "2013 Christian M Zmasek"
  28     CONTACT        = "phyloxml@gmail.com"
  29     WWW            = "https://sites.google.com/site/cmzmasek/home/software/forester"
  30
  31     I_E_VALUE_THRESHOLD_OPTION    = "ie"
  32     FS_E_VALUE_THRESHOLD_OPTION   = "pe"
  33     TARGET_MODELS                 = "m"
  34     EXTRACTION                    = "x"
  35     HELP_OPTION_1                 = "help"
  36     HELP_OPTION_2                 = "h"
  37
  38     USE_AVOID_HMMS = true
  39     AVOID_HHMS = [ "RRM_1", "RRM_2", "RRM_3", "RRM_4", "RRM_5", "RRM_6" ]
  40     LIMIT_FOR_CLOSE_DOMAINS = 20
  41
  42
  43     def run
  44
  45       Util.print_program_information( PRG_NAME,
  46         PRG_VERSION,
  47         PRG_DESC,
  48         PRG_DATE,
  49         COPYRIGHT,
  50         CONTACT,
  51         WWW,
  52         STDOUT )
  53
  54       begin
  55         cla = CommandLineArguments.new( ARGV )
  56       rescue ArgumentError => e
  57         Util.fatal_error( PRG_NAME, "error: " + e.to_s, STDOUT )
  58       end
  59
  60       if ( cla.is_option_set?( HELP_OPTION_1 ) ||
  61            cla.is_option_set?( HELP_OPTION_2 ) )
  62         print_help
  63         exit( 0 )
  64       end
  65
  66       if ( cla.get_number_of_files != 1 && cla.get_number_of_files != 3 )
  67         print_help
  68         exit( -1 )
  69       end
  70
  71       allowed_opts = Array.new
  72       allowed_opts.push( I_E_VALUE_THRESHOLD_OPTION )
  73       allowed_opts.push( FS_E_VALUE_THRESHOLD_OPTION )
  74       allowed_opts.push( TARGET_MODELS )
  75       allowed_opts.push( EXTRACTION )
  76
  77       disallowed = cla.validate_allowed_options_as_str( allowed_opts )
  78       if ( disallowed.length > 0 )
  79         Util.fatal_error( PRG_NAME,
  80           "unknown option(s): " + disallowed,
  81           STDOUT )
  82       end
  83
  84       inpath = cla.get_file_name( 0 )
  85       Util.check_file_for_readability( inpath )
  86       seq_file_path = nil
  87       extraction_output = nil
  88
  89       if ( cla.get_number_of_files == 3 )
  90         seq_file_path = cla.get_file_name( 1 )
  91         Util.check_file_for_readability(  seq_file_path  )
  92         extraction_output = cla.get_file_name( 2 )
  93         if File.exist?( extraction_output )
  94           Util.fatal_error( PRG_NAME, "error: [#{extraction_output}] already exists" )
  95         end
  96
  97       end
  98
  99       msa = nil
 100       if seq_file_path != nil
 101         msa = read_fasta_file( seq_file_path )
 102       end
 103
 104       i_e_value_threshold = -1
 105       if ( cla.is_option_set?( I_E_VALUE_THRESHOLD_OPTION ) )
 106         begin
 107           i_e_value_threshold = cla.get_option_value_as_float( I_E_VALUE_THRESHOLD_OPTION )
 108         rescue ArgumentError => e
 109           Util.fatal_error( PRG_NAME, "error: " + e.to_s, STDOUT )
 110         end
 111         if ( i_e_value_threshold < 0.0 )
 112           Util.fatal_error( PRG_NAME, "attempt to use a negative i-E-value threshold", STDOUT )
 113         end
 114       end
 115
 116       fs_e_value_threshold = -1
 117       if ( cla.is_option_set?( FS_E_VALUE_THRESHOLD_OPTION ) )
 118         begin
 119           fs_e_value_threshold = cla.get_option_value_as_float( FS_E_VALUE_THRESHOLD_OPTION )
 120         rescue ArgumentError => e
 121           Util.fatal_error( PRG_NAME, "error: " + e.to_s, STDOUT )
 122         end
 123         if ( fs_e_value_threshold < 0.0 )
 124           Util.fatal_error( PRG_NAME, "attempt to use a negative E-value threshold", STDOUT )
 125         end
 126       end
 127
 128       target_models = []
 129       if ( cla.is_option_set?( TARGET_MODELS ) )
 130         begin
 131           hmm_for_protein_output = cla.get_option_value( TARGET_MODELS )
 132           target_models = hmm_for_protein_output.split( "/" );
 133         rescue ArgumentError => e
 134           Util.fatal_error( PRG_NAME, "error: " + e.to_s, STDOUT )
 135         end
 136       end
 137
 138       x_models = []
 139       if ( cla.is_option_set?( EXTRACTION ) )
 140         begin
 141           hmm_for_protein_output = cla.get_option_value( EXTRACTION )
 142           x_models = hmm_for_protein_output.split( "~" );
 143         rescue ArgumentError => e
 144           Util.fatal_error( PRG_NAME, "error: " + e.to_s, STDOUT )
 145         end
 146       end
 147
 148       begin
 149         parse( inpath,
 150           i_e_value_threshold,
 151           fs_e_value_threshold,
 152           target_models,
 153           x_models,
 154           msa,
 155           extraction_output )
 156       rescue IOError => e
 157         Util.fatal_error( PRG_NAME, "error: " + e.to_s, STDOUT )
 158       end
 159
 160     end # def run
 161
 162
 163     private
 164
 165     def read_fasta_file( input )
 166       f = MsaFactory.new()
 167       msa = nil
 168       begin
 169         msa = f.create_msa_from_file( input, FastaParser.new() )
 170       rescue Exception => e
 171         Util.fatal_error( PRG_NAME, "error: " + e.to_s )
 172       end
 173       msa
 174     end
 175
 176
 177     # raises ArgumentError, IOError
 178     def parse( inpath,
 179         i_e_value_threshold,
 180         fs_e_value_threshold,
 181         target_models,
 182         x_models,
 183         msa,
 184         extraction_output )
 185
 186       extraction_output_file = nil
 187       if extraction_output != nil
 188         extraction_output_file = File.open( extraction_output, "a" )
 189       end
 190
 191       hmmscan_parser = HmmscanParser.new( inpath )
 192
 193       results = hmmscan_parser.parse
 194
 195       hmmscan_results_per_protein = []
 196
 197       query     = ""
 198       prev_query = ""
 199       results.each do | r |
 200         query = r.query
 201         if !prev_query.empty? && prev_query != query
 202           if !hmmscan_results_per_protein.empty?
 203             process_hmmscan_results_per_protein( hmmscan_results_per_protein,
 204               fs_e_value_threshold,
 205               target_models,
 206               x_models,
 207               i_e_value_threshold,
 208               msa,
 209               extraction_output_file )
 210           end
 211           hmmscan_results_per_protein.clear
 212         end
 213         prev_query = query
 214
 215         if USE_AVOID_HMMS
 216           if !AVOID_HHMS.include? r.model
 217             hmmscan_results_per_protein << r
 218           end
 219         else
 220           hmmscan_results_per_protein << r
 221         end
 222
 223       end
 224
 225       if !hmmscan_results_per_protein.empty?
 226         process_hmmscan_results_per_protein( hmmscan_results_per_protein,
 227           fs_e_value_threshold,
 228           target_models,
 229           x_models,
 230           i_e_value_threshold,
 231           msa,
 232           extraction_output_file )
 233       end
 234       if extraction_output_file != nil
 235         extraction_output_file.close
 236       end
 237     end # def parse
 238
 239
 240     def process_hmmscan_results_per_protein( hmmscan_results_per_protein,
 241         fs_e_value_threshold,
 242         target_hmms,
 243         x_models,
 244         i_e_value_threshold,
 245         msa,
 246         extraction_output_file )
 247
 248       raise StandardError, "target hmms is empty" if target_hmms.length < 1
 249       raise StandardError, "results is empty" if hmmscan_results_per_protein.length < 1
 250
 251       # filter according to i-Evalue threshold
 252       # abort if fs Evalue too high
 253
 254       if fs_e_value_threshold >= 0.0
 255         hmmscan_results_per_protein.each do | r |
 256           target_hmms.each do | hmm |
 257             if r.model == hmm && r.fs_e_value > fs_e_value_threshold
 258               return
 259             end
 260           end
 261         end
 262       end
 263
 264       hmmscan_results_per_protein_filtered = []
 265       matched = Set.new
 266
 267       hmmscan_results_per_protein.each do | r |
 268         if i_e_value_threshold < 0 || r.i_e_value <= i_e_value_threshold
 269           hmmscan_results_per_protein_filtered << r
 270           target_hmms.each do | hmm |
 271             if r.model == hmm
 272               matched << hmm
 273               break
 274             end
 275           end
 276
 277         end
 278       end
 279
 280       if matched.length < target_hmms.length
 281         return
 282       end
 283       if  hmmscan_results_per_protein_filtered.length < 1
 284         return
 285       end
 286
 287       hmmscan_results_per_protein_filtered.sort! { |r1,r2| r1.env_from <=> r2.env_from }
 288
 289       owns = []
 290       target_hmms.each do | hmm |
 291         hmmscan_results_per_protein_filtered.each do | r |
 292           if r.model == hmm
 293             owns << r
 294             break
 295           end
 296         end
 297       end
 298
 299       query = nil
 300       qlen = nil
 301       owns.each do | own |
 302         if query == nil
 303           query = own.query
 304           qlen = own.qlen
 305         else
 306           raise StandardError, "failed sanity check" if query != own.query || qlen != own.qlen
 307           raise StandardError, "failed sanity check: qlen != own.qlen" if qlen != own.qlen
 308         end
 309       end
 310
 311       species = nil
 312       if msa != nil
 313         seq = get_sequence( query, msa  )
 314         species = get_species( seq )
 315         raise StandardError, "could not get species" if species == nil || species.empty?
 316         if x_models != nil &&  x_models.length > 0
 317           extract_linkers( hmmscan_results_per_protein_filtered, x_models, seq,  extraction_output_file )
 318         end
 319       end
 320
 321       s = query + "\t"
 322       s << species + "\t"
 323       owns.each do | own |
 324         s << own.fs_e_value.to_s + "\t"
 325       end
 326
 327       s << qlen.to_s + "\t"
 328
 329       s << hmmscan_results_per_protein_filtered.length.to_s + "\t"
 330       hmmscan_results_per_protein_filtered.each do | r |
 331         s << r.model + " "
 332       end
 333       s << "\t"
 334       s <<  make_overview_da( hmmscan_results_per_protein_filtered )
 335       s << "\t"
 336       s << make_detailed_da( hmmscan_results_per_protein_filtered, qlen )
 337       puts s
 338
 339     end
 340
 341
 342     def extract_linkers( hmmscan_results_per_protein_filtered, x_models, seq, extraction_output_file )
 343       raise StandardError, "extraction output file is nil" if extraction_output_file == nil
 344       prev_r = nil
 345       hmmscan_results_per_protein_filtered.each do | r |
 346         if  prev_r != nil
 347           if ( x_models.length == 2 && prev_r.model == x_models[ 0 ] && r.model == x_models[ 1 ] )
 348             extract_linker( prev_r.env_to, r.env_from, seq, extraction_output_file )
 349           end
 350         end
 351         prev_r = r
 352       end
 353     end
 354
 355
 356     def get_sequence( query, msa  )
 357       seq = nil
 358       indices = msa.find_by_name_start( query , true )
 359       if indices.length != 1
 360         if query[ -1, 1 ] == "|"
 361           query.chop!
 362         end
 363         seq = msa.get_by_name_pattern( /\b#{Regexp.quote(query)}\b/ )
 364       else
 365         seq = msa.get_sequence( indices[ 0 ] )
 366       end
 367       seq
 368     end
 369
 370
 371     def get_species( seq )
 372       species = nil
 373       if seq.get_name =~ /\[([A-Z0-9]{3,5})\]/
 374         species = $1
 375       end
 376       species
 377     end
 378
 379
 380     def extract_linker( first, last , seq,  output_file )
 381       if ( last - first >= 1 )
 382         output_file.print( ">" + seq.get_name + " [" +  first.to_s + "-" + last.to_s +  "]" + "\n")
 383         output_file.print( seq.get_subsequence( first - 1 , last - 1 ).get_sequence_as_string + "\n" )
 384       end
 385     end
 386
 387
 388     def make_detailed_da( hmmscan_results_per_protein_filtered , qlen )
 389       s = ""
 390       prev_r = nil
 391       hmmscan_results_per_protein_filtered.each do | r |
 392         if  prev_r != nil
 393           s << make_interdomain_sequence( r.env_from - prev_r.env_to - 1 )
 394         else
 395           s << make_interdomain_sequence( r.env_from, false )
 396         end
 397         s << r.model
 398         s << "["
 399         s << r.env_from.to_s << "-" << r.env_to.to_s
 400         s << " " << r.i_e_value.to_s
 401         s << "]"
 402         prev_r = r
 403       end
 404       s << make_interdomain_sequence( qlen - prev_r.env_to, false )
 405       s
 406     end
 407
 408
 409     def make_overview_da( hmmscan_results_per_protein_filtered )
 410       overview = ""
 411       prev_r = nil
 412       hmmscan_results_per_protein_filtered.each do | r |
 413         if prev_r == nil
 414           overview << r.model
 415         else
 416           if  ( r.env_from - prev_r.env_to - 1 ) <= LIMIT_FOR_CLOSE_DOMAINS
 417             overview << "~" << r.model
 418           else
 419             overview << "----" << r.model
 420           end
 421         end
 422         prev_r = r
 423
 424       end
 425       overview
 426     end
 427
 428
 429     def make_interdomain_sequence( d, mark_short = true )
 430       s = ""
 431       d /= 20
 432       if d >= 10
 433         s << "----//----"
 434       elsif d >= 1
 435         d.times do
 436           s << "-"
 437         end
 438       elsif mark_short
 439         s << "~"
 440       end
 441       s
 442     end
 443
 444
 445     def print_help()
 446       puts( "Usage:" )
 447       puts()
 448       puts( "  " + PRG_NAME + ".rb [options] <hmmscan outputfile> <outputfile>" )
 449       puts()
 450       puts( "  options: -" + I_E_VALUE_THRESHOLD_OPTION  + ": i-E-value threshold, default is no threshold" )
 451       puts( "           -" + FS_E_VALUE_THRESHOLD_OPTION  + ": E-value threshold for full protein sequences, only for protein summary" )
 452       puts( "           -" + TARGET_MODELS + ": target HMMs" )
 453       puts()
 454     end
 455
 456   end # class
 457
 458 end # module Evoruby